RU2449154C2

RU2449154C2 - Gas turbine propfan engine

Info

Publication number: RU2449154C2
Application number: RU2010126249/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Алексеевич Кузнецов (RU); Валерий Алексеевич Кузнецов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-04-27
Also published as: RU2010126249A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: gas turbine propfan engine with rear arrangement of propfan rotors comprises a gas generator with a compressor, a gas channel in a propfan bushing, a nozzle. In the gas channel there are hollow stands of propfan rotors. At the outer side from the gas channel of the propfan bushing there is an outer circular air cavity connected at the inlet to the intermediate stage of the low pressure compressor, and at the outlet - via hollow stands of propfan rotors with an additional axial nozzle in a bushing fairing. The outer circular air cavity is separated from atmosphere with an outer shell with radial ribs directed towards the bushing axis, where labyrinth seals are arranged. Ratio of the nozzle area at the outlet from the propfan bushing gas channel to the area of the additional axial nozzle in the propfan bushing fairing makes 5…20. The ratio of the outer diameter of the propfan bushing to the average diameter of labyrinth seals of propfan rotors makes 1.05…1.20.

EFFECT: higher cost-effectiveness and reliability of a gas turbine propfan engine by reduction of parasite leakages of gas from a propfan bushing into atmosphere and also by use of air spent in a cooling system of a propfan bushing to develop gas turbine engine thrust.

3 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным винтовентиляторным авиационным двигателям авиационного применения.The invention relates to gas turbine propeller-driven aircraft engines for aviation applications.

Известен газотурбинный винтовентиляторный двигатель, лопасти винтовентилятора в котором установлены на наружных корпусах биротативной турбины (Патент США №2174762, F02K 3/072, F01D 5/06, F02C 3/04, 1986).A gas turbine propeller-driven engine is known, the rotor-fan blades of which are mounted on the outer housings of a biotational turbine (US Patent No. 2174762, F02K 3/072, F01D 5/06, F02C 3/04, 1986).

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность и экономичность из-за повышенных утечек горячего газа из проточной части биротативной турбины через расположенные на большом диаметре лабиринтные уплотнения, что приводит к перегреву лопастей винтовентилятора и ухудшению экономичности газотурбинного двигателя.The disadvantage of this design is its low reliability and efficiency due to increased leakage of hot gas from the flow part of the birobotative turbine through labyrinth seals located on a large diameter, which leads to overheating of the fan blades and deterioration of the efficiency of the gas turbine engine.

Наиболее близким по конструкции является авиационный газотурбинный винтовентиляторный двигатель, винтовентилятор заднего расположения в котором выполнен с кольцевым газовым каналом, а внутренние полости, расположенные в газовом канале стоек ротора винтовентилятора, соединены на входе с компрессором низкого давления (Патент РФ №1407153, F02C 3/067, 2005 г.).The closest in design is an aircraft gas turbine fan engine, the rear fan in which is made with an annular gas channel, and the internal cavities located in the gas channel of the struts of the rotor of the fan are connected at the inlet to a low pressure compressor (RF Patent No. 1407153, F02C 3/067 , 2005).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность и экономичность из-за повышенных утечек газа из газового канала через уплотнения между статором и ротором винтовентилятора в атмосферу.A disadvantage of the known design adopted as a prototype is its low reliability and economy due to increased gas leaks from the gas channel through the seals between the stator and the fan rotor into the atmosphere.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и надежности газотурбинного винтовентиляторного двигателя путем снижения паразитных утечек газа из втулки винтовентилятора в атмосферу, а также путем использования отработанного в системе охлаждения втулки винтовентилятора воздуха для создания тяги газотурбинного двигателя.The technical problem solved by the invention is to increase the efficiency and reliability of a gas turbine fan engine by reducing parasitic gas leaks from the fan fan sleeve into the atmosphere, as well as by using the exhaust air used in the cooling system of the fan fan sleeve to create traction for a gas turbine engine.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном винтовентиляторном двигателе с газогенератором, содержащим компрессор, задним расположением роторов винтовентилятора, газовым каналом во втулке винтовентилятора, соплом а также с расположенными в газовом канале полыми стойками роторов винтовентилятора, согласно изобретению с внешней стороны от газового канала втулки выполнена внешняя кольцевая воздушная полость, соединенная на входе с промежуточной ступенью компрессора низкого давления, а на выходе через полые стойки роторов винтовентилятора с дополнительным осевым соплом в обтекателе втулки, внешняя кольцевая воздушная полость отделена от атмосферы наружной обечайкой с направленными к оси втулки радиальными ребрами, на которых расположены лабиринтные уплотнения, при этом F_c/F_доп=5…20, а D_вт/C_лаб=1,05…1,20, гдеThe essence of the invention lies in the fact that in a gas turbine turbofan engine with a gas generator containing a compressor, a rear arrangement of the rotor of the fan, a gas channel in the hub of the fan, the nozzle and also with hollow racks of the rotor of the fan in the gas channel, according to the invention, from the outside of the gas channel of the sleeve an external annular air cavity is made, connected at the inlet to the intermediate stage of the low-pressure compressor, and at the exit through the hollow struts of the roto fan vent with an additional axial nozzle in the fairing of the sleeve, the outer annular air cavity is separated from the atmosphere by the outer shell with radial ribs directed to the axis of the sleeve, on which labyrinth seals are located, with F _c / F _add = 5 ... 20, and D _W / C _lab = 1.05 ... 1.20, where

F_c - площадь сопла на выходе из газового канала втулки винтовентилятора;F _c is the area of the nozzle at the outlet of the gas channel of the fan;

F_доп - площадь дополнительного осевого сопла в обтекателе втулки винтовентилятора;F _add - the area of the additional axial nozzle in the fairing of the fan;

D_вт - наружный диаметр втулки винтовентилятора;D _W - the outer diameter of the fan hub;

C_лаб - средний диаметр лабиринтных уплотнений роторов винтовентилятора.C _lab - the average diameter of the labyrinth seals of the rotor fan.

Выполнение с внешней стороны от газового канала втулки винтовентилятора внешней кольцевой воздушной полости, соединенной на входе с промежуточной ступенью компрессора низкого давления, а на выходе через полые стойки роторов винтовентилятора - с осевым дополнительным соплом в обтекателе втулки, позволяет повысить надежность винтовентилятора путем исключения паразитных утечек газа в атмосферу и на внешнюю поверхность втулки винтовентилятора и, соответственно, исключения подогрева газом композиционных лопастей винтовентилятора, а также повысить экономичность газотурбинного винтовентиляторного двигателя путем срабатывания перепада всего поступающего в газовый канал расхода газа в основном сопле втулки винтовентилятора и перепада охлаждающего воздуха в дополнительном сопле в обтекателе втулки винтовентилятора.The execution of an external annular air cavity, connected at the inlet to the intermediate stage of the low-pressure compressor at the inlet from the gas channel of the rotor fan hub, and at the outlet through the hollow struts of the rotor fan, with an axial additional nozzle in the cowl fairing, increases the reliability of the rotor fan by eliminating spurious gas leaks to the atmosphere and to the outer surface of the fan case and, accordingly, the exclusion of gas from the heating of the composite fan blades, and that also improve the efficiency of the gas turbine engine vintoventilyatornogo by differential tripping of all gas entering the gas flow channel in the main nozzle sleeve propfan and differential cooling air nozzle in a further ducted propfan sleeve.

Установка лабиринтных уплотнений на направленных к оси втулки винтовентилятора радиальных ребрах наружной обечайки, отделяющей внешнюю кольцевую воздушную полость от атмосферы, позволяет увеличить радиальную жесткость указанных обечаек, ограничивающих с внешней стороны внешнюю воздушную полость, что позволяет снизить радиальные зазоры по лабиринтным уплотнениям, а также уменьшить проходную площадь лабиринтных уплотнений за счет уменьшения их диаметра, что позволяет уменьшить паразитные утечки воздуха через эти лабиринтные уплотнения с соответствующим повышением экономичности газотурбинного двигателя.The installation of labyrinth seals on the radial ribs of the outer shell directed towards the axis of the fan shaft of the fan separating the outer annular air cavity from the atmosphere allows one to increase the radial stiffness of these shells limiting the outer air cavity from the outside, which reduces radial clearances along the labyrinth seals and also reduces the passage the area of labyrinth seals by reducing their diameter, which allows to reduce parasitic air leaks through these labyrinth seals tion with a corresponding increase in the efficiency of the gas turbine engine.

При F_c/F_доп<5 снижается экономичность газотурбинного двигателя из-за увеличенных отборов охлаждающего воздуха из-за компрессора низкого давления, а при F_c/F_доп>20 снижается надежность газотурбинного двигателя в результате уменьшения расхода охлаждающего воздуха, поступающего на охлаждение втулки винтовентилятора.At F _c / F _add <5, the efficiency of the gas turbine engine is reduced due to the increased extraction of cooling air due to the low pressure compressor, and at F _c / F _add > 20 the reliability of the gas turbine engine is reduced as a result of a decrease in the flow of cooling air supplied to the cooling sleeve fan fan.

При D_вт/С_лаб<1,05 повышаются паразитные утечки охлаждающего воздуха в атмосферу, а при D_вт/С_лаб>1,20 уменьшается проходная площадь для воздуха, поступающего на охлаждение втулки винтовентилятора.At D _W / C _LAB <1.05, parasitic leakages of cooling air into the atmosphere increase, and at D _W / C _LAB > 1.20, the passage area for air entering the cooling fan hub decreases.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинного винтовентиляторного двигателя; на фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде; на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.Figure 1 shows a longitudinal section of a gas turbine fan engine; figure 2 shows the element I in figure 1 in an enlarged view; figure 3 shows the element II in figure 1 in an enlarged view.

Газотурбинный винтовентиляторный двигатель 1 включает газогенератор 2 с компрессором низкого давления 3, компрессором высокого давления 4, камерой сгорания 5, турбиной высокого давления 6, турбиной низкого давления 7 и силовой турбиной 8, содержит также винтовентилятор заднего расположения 9, состоящий из втулки винтовентилятора 10 с газовым каналом 11 и лопастей 12 и 13 переднего 14 и заднего 15 роторов винтовентилятора 9. В газовом канале 11 расположены передняя 16 и задняя 17 полые стойки роторов 14 и 15, в которых размещены хвостовики 18 и 19 передней 12 и задней 13 лопастей винтовентилятора соответственно. На выходе из газового канала 11 выполнено основное сопло 20 и обтекатель 21 газового потока 22. С внешней стороны от газового канала 11 втулки 10 выполнена внешняя кольцевая воздушная полость 23, соединенная на входе трубопроводами 24 с промежуточной ступенью 25 компрессора низкого давления 3, а на выходе через полые стойки 16 и 17 роторов 14 и 15 - с дополнительным осевым соплом 26 в обтекателе 21.A gas turbine fan engine 1 includes a gas generator 2 with a low-pressure compressor 3, a high-pressure compressor 4, a combustion chamber 5, a high-pressure turbine 6, a low-pressure turbine 7 and a power turbine 8, also contains a rear-mounted propeller fan 9, consisting of a turbofan bush 10 with a gas channel 11 and the blades 12 and 13 of the front 14 and rear 15 of the rotor fan 9. In the gas channel 11 are the front 16 and rear 17 hollow pillars of the rotors 14 and 15, in which the shanks 18 and 19 of the front 12 are located and rear 13 rotor fan blades, respectively. At the outlet of the gas channel 11, the main nozzle 20 and the cowling 21 of the gas stream 22 are made. On the outside of the gas channel 11 of the sleeve 10, an external annular air cavity 23 is made, connected at the inlet by pipelines 24 to the intermediate stage 25 of the low-pressure compressor 3, and at the exit through the hollow struts 16 and 17 of the rotors 14 and 15 - with an additional axial nozzle 26 in the fairing 21.

Внешняя кольцевая воздушная полость 23 отделена от атмосферы 27 наружной обечайкой 28, на которой выполнены направленные к оси втулки 10 радиальные ребра 29, 30, 31 и 32 с установленными на ребрах передним 33 и задним 34 лабиринтными уплотнениями. От газового канала 11 полость 23 отделена лабиринтными уплотнениями 35 и 36.The outer annular air cavity 23 is separated from the atmosphere 27 by an outer shell 28, on which radial ribs 29, 30, 31 and 32 directed to the axis of the sleeve 10 are made with front 33 and rear 34 labyrinth seals mounted on the ribs. From the gas channel 11, the cavity 23 is separated by labyrinth seals 35 and 36.

Работает данное устройство следующим образом.This device works as follows.

При работе газотурбинного винтовентиляторного двигателя 1 давление охлаждающего воздуха, отбираемого от промежуточной ступени 25 компрессора низкого давления 3, превышает давление газа в газовом канале 11 втулки винтовентилятора 10, что исключает паразитные утечки газа из газового канала 11 как в атмосферу 27, так и в воздушные и в масляные полости втулки 10. Отработанный в системе охлаждения втулки 10 воздух выбрасывается через профилированное сопло 26 в обтекателе 21, повышая таким образом тягу и экономичность двигателя 1.When the gas turbine fan engine 1 is operating, the pressure of the cooling air taken from the intermediate stage 25 of the low pressure compressor 3 exceeds the gas pressure in the gas channel 11 of the rotor fan bushing 10, which eliminates spurious gas leaks from the gas channel 11 both into the atmosphere 27 and into the air and in the oil cavity of the sleeve 10. The exhaust air in the cooling system of the sleeve 10 is ejected through the profiled nozzle 26 in the fairing 21, thereby increasing thrust and efficiency of the engine 1.

Радиальные ребра 29, 30, 31 и 32, расположенные на наружной обечайке втулки винтовентилятора 10, существенно повышают радиальную жесткость и способствуют сохранению геометрических размеров при работе как обечайки 28, так и лабиринтных уплотнений 33 и 34.Radial ribs 29, 30, 31 and 32, located on the outer shell of the rotor fan bushing 10, significantly increase radial stiffness and help maintain geometric dimensions during operation of both the shell 28 and the labyrinth seals 33 and 34.

Claims

A gas turbine fan engine with a gas generator containing a compressor, a rear arrangement of the rotor of the fan, a gas channel in the rotor of the fan, a nozzle, and hollow racks of the rotor of the fan located in the gas channel, characterized in that an external annular air cavity is made on the outside of the gas channel of the sleeve connected at the inlet to the intermediate stage of the low-pressure compressor, and at the outlet through the hollow struts of the rotor of the fan heater with additional axes a sleeve nozzle fairing outer annular cavity is separated from the airbag outer shell with the atmosphere directed toward the hub axis radial ribs, on which there are labyrinth seals, with F _c / F _ext = 5 ... 20, and _BT D / C = 1.05 _lab ... 1.20, where
F _c is the area of the nozzle at the outlet of the gas channel of the fan;
F _add - the area of the additional axial nozzle in the fairing of the fan;
D _VT - the outer diameter of the fan hub;
C _lab - the average diameter of the labyrinth seals of the rotor of the fan.